切倫科夫計數器

1934年，切連科夫在研究發自鐳放射源的輻射穿入不同的液體並被液體吸收時發生的現象時發現了一種獨特的輻射效應，高能帶電粒子束在透明介質中以大於光速的速度通過時產生電磁輻射，通常為淺藍色。在此之前，有人觀察到當輻射穿入液體時，從液體中會放射出微弱的淺藍色的輝光，他們把它歸結為熒光。然而切侖科夫認為，他觀察到的不是熒光。他觀察穿入經過了兩次蒸餾的水中的輻射，排除了微小雜質產生熒光的可能性。他發現，輻射沿入射方向被極化了，正是入射的輻射所產生的快速次級電子才是出現可見輻射的根本原因。通過採用發自鐳放射源的電子單獨照射液體，他驗證了這一點。切侖科夫在1934-1937年間發表的論文給出了這種新輻射的一般性質，但對這一效應缺乏嚴密的數學描述。

1937年，切侖科夫的兩位同事，弗蘭克（Ilya Mikhailovich Frank，1908-1990）和塔姆（Igor Yevgenyevich Tamm，1895-1971）聯名對切侖科夫效應給出了理論解釋。他們證明，切侖科夫輻射與加速帶電粒子的輻射有本質上的不同。加速帶電粒子的輻射是單個粒子的輻射效應，而切侖科夫輻射是運動帶電粒子與介質中的束縛電荷及誘導電流所產生的集體效應。他們認為，切侖科夫發現的輻射是由於電子在介質中以大於光在介質中的速度運動時產生的，並給出了嚴格的數學描述。他們的理論導致了對切侖科夫效應的各種不同應用，特別是在核物理和高能物理研究方面得到了廣泛的應用。切侖科夫、弗蘭克和塔姆因此共同分享了1958年度諾貝爾物理學獎。弗蘭克後來又對切侖科夫輻射做了許多深入的研究，並預言了穿越輻射的產生。 ^[1] 

切侖科夫光的輻射出現在圍繞粒子運動方向的圓錐內。在水中或玻璃中，這個圍繞的角度約為40°。在空氣這樣的氣體中，也會出現切侖科夫輻射，因為折射率與1很接近，所以圓錐的角度很小。水和玻璃的折射率很大，因而輻射切侖科夫光的本領很強。

利用切侖科夫效應可以做成切侖科夫計數器，用於記錄帶電粒子所發出的微弱切侖科夫輻射。20世紀50年代，隨着靈敏且具快速響應的光電倍增管的應用，切侖科夫光的利用成為極有影響的技術。切侖科夫計數器（Cherenkov counter）由產生切侖科夫光的輻射體和探測這種光的光電倍增管組成，它能把單個粒子引起的閃光記錄下來。玻璃、水、透明的塑料均可用作輻射體。當粒子以大於光在該介質中的速度進入時，就發生切侖科夫輻射，然後用光電學方法檢測。粒子種類已知時，一定的發射角對應一定的粒子能量，可探測加速器或宇宙線中的高能電子、質子、介子及高能γ射線。氣體產生的切侖科夫光輻射強度比固體或液體小，但由於它的折射率小，可用來探測更高速度的粒子。切侖科夫輻射的持續時間僅10-10秒，與快速光電倍增管配合，切侖科夫計數器可有很高的時間分辨率。 ^[1] 

帶電粒子在均勻介質中誘發的切倫科夫輻射的特性和帶電粒子的速度密切相關，這種關係可以用下式來描述

它們誘發的切倫科夫輻射光環半徑偏離環狀光闌的孔徑，光電倍增管記錄不到這種粒子誘發的輻射。因此，這種計數器只記錄粒子束中速度在βi－Δβi<β<βi+Δβi區間內的帶電粒子。

對宇宙射線研究特別有用的切侖科夫探測器最早出現在倫敦，隨後用在英國約克郡設置的哈佛拉公園（Haverah Park）探測器陣列中，取得了極好的工作效果。這些探測器由12米深的封閉大水櫃構成。光電倍增管浸泡到水下進行監視。當空氣簇射通過時，電磁成分主要在頂部三分之一的水中產生切侖科夫光，但整個水櫃都對貫穿能力更大的μ子很敏感。由電磁成分與μ子成分的信號聯合起來形成一個檢測信號。 ^[1] 

高能粒子在大氣中也能產生切侖科夫輻射。空氣折射率雖接近1(在地面高度約為1.00027)，但如果粒子能量較高(對電子來説約高於20MeV)，則空氣簇射中的許多粒子都能產生切侖科夫光。切侖科夫光相當微弱時(還是因為折射率接近於1)，由於簇射中的粒子很多，用大反光鏡把光集中起來，在晴朗無月光的夜晚也能較容易地探測到切侖科夫輻射。

在γ射線天文研究中，切侖科夫計數器常與閃爍計數器構成望遠鏡，用於探測10兆電子伏以上的γ射線。對於幾百兆電子伏以上的γ射線，則使用氣體切侖科夫計數器，它與閃爍計數器聯合使用，有方向性好、本底小的優點。大於106兆電子伏的γ光子在大氣中產生空氣簇射，其高能正負電子對能使大氣成為輻射體，產生切侖科夫輻射，方向接近高能γ光子進入大氣層時的方向，可在地面用光電倍增管進行探測，構成獨特的切侖科夫計數器望遠鏡。 ^[1] 

輻射介質可以是氣體、液體和固體，但應具有對輻射色散小、透明度好的光學特性，而且要求它們有低的熒光背景。

速度分辨率Δβ/β和探測效率是切倫科夫計數器最主要的性能指標。典型的氣體閾式切倫科夫計數器在足夠高的探測效率條件下，速度分辨率約為10 ～10 。氣體微分式切倫科夫計數器,若經過光學系統的色差校正,速度分辨率可達約 10 ，而且有足夠高的探測效率。

切倫科夫計數器在原子核物理和粒子物理發展史上起過重要作用。它是實驗物理中一種應用廣泛的粒子探測器。